褐煤過熱蒸汽氣流干燥過程動力學模型研究.pdf

1、我國褐煤資源相對比較豐富，己探明的保有儲量就達1303億噸，占全國煤炭儲量的13％。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國的煙煤和無煙煤等優(yōu)質煤炭資源已被充分利用。因此，褐煤已經(jīng)成為我國能源生產(chǎn)和供應的重要組成部分。但褐煤是煤化程度較低的煤種，具有高水分、高灰分、高揮發(fā)分、低發(fā)熱量和低灰熔點的特征，從而導致褐煤直接燃燒效率低、溫室氣體排放量大等問題。同時也造成其單位能量的運輸成本高，不利于長途運輸和儲存的缺點。我國褐煤的開發(fā)利用遇到了嚴重的瓶頸。褐煤

2、的利用，如液化、干餾和氣化都需要把煤中水分降至10％以下。而迄今為止，褐煤的開發(fā)利用在我國還沒有實際工業(yè)化展開。其主要原因在于缺乏一套有效的工藝和技術以滿足褐煤干燥的安全、節(jié)能、經(jīng)濟和環(huán)保的要求。而有效的干燥工藝及其相關裝備的形成在很大程度上依賴于對其機理的深入了解和設計、技術方法的可靠。
　　 本文以極具能源戰(zhàn)略意義的褐煤作為對象，分析了褐煤的特性及國內外褐煤干燥技術的應用現(xiàn)狀。分析表明雖然國內外學者正積極研究開發(fā)各種褐煤干燥

3、技術和工藝，但其研究仍未取得較大的進展，相關成果也并不充裕。尋找安全、節(jié)能、環(huán)保的先進褐煤干燥技術及建立實用、完整、可靠的相關理論仍是現(xiàn)階段研究的重點。過熱蒸汽干燥由于具有安全、節(jié)能、環(huán)保等諸多優(yōu)點，非常適用于褐煤的干燥。雖然一些學者針對褐煤的過熱蒸汽干燥開展了實驗研究和模型研究，但這些研究僅處在起步階段。描述物料在干燥過程中的水分、溫度的變化規(guī)律，預測和優(yōu)化物料的干燥效果一般通過建立干燥熱、質傳遞模型并進行數(shù)值模擬來實現(xiàn)。目前，過熱蒸

4、汽干燥動力學特性通常由干燥曲線的測試結果建立的半經(jīng)驗模型來反映。但這種干燥模型與干燥條件、物料特性等密切相關。而絕大部分實際干燥過程中的干燥條件卻隨時處于變化當中?，F(xiàn)有形式的干燥模型在干燥過程計算的應用中受到了嚴重的制約，其理論亟待補充、完善并使之實用化。
　　 與煙煤和無煙煤相比，褐煤在物理、化學及熱特性等方面均有所不同，而褐煤干燥過程中的熱、質傳遞與這些特性卻密切相關。因此，本文對褐煤的物理、化學和熱特性進行了分析，并對以儲

5、量較大的內蒙古赤峰褐煤為煤樣，對其其孔徑分布、工業(yè)分析（水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳）、元素分析（C、H、O、N和S）和發(fā)熱量等進行了測試，為褐煤過熱蒸汽干燥的工藝的選擇及其干燥理論的進一步研究提供了基礎數(shù)據(jù)。結果表明，褐煤的內部結構與常見的大孔徑多孔介質相同，其水分傳遞過程遵循多孔介質的規(guī)律。
　　 基于褐煤的理化特性及工業(yè)生產(chǎn)特點，褐煤干燥提質首先需要綜合考慮安全、能耗、水耗、環(huán)保、產(chǎn)能、運行費用等指標。干燥方式的選擇對這些指

6、標的影響是至關重要的。本文對常用的包括轉筒干燥、回轉管式干燥、流化床干燥和氣流干燥等干燥工藝進行了分析，討論了各自的優(yōu)缺點。鑒于氣流干燥方式結構簡單、各種參數(shù)易于測量、易于大型化和工業(yè)化等優(yōu)點，且其熱、質傳遞過程與其它流態(tài)化干燥方式（如流化床干燥、旋轉閃蒸干燥、噴霧干燥等）具有相同的特點和相同的數(shù)學描述。因此，本文選定氣流干燥方式作為代表性的研究對象。在同時吸收了過熱蒸汽干燥的安全、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)點的基礎上，開發(fā)了一套適用于褐煤干燥的安

7、全、節(jié)能的名為“循環(huán)分級粉碎氣流”的獨特的過熱蒸汽流態(tài)化干燥系統(tǒng)，并對其工藝技術進行了詳細分析，為中試試驗研究和模擬研究提供了方向。
　　 為實現(xiàn)褐煤過熱蒸汽氣流干燥工藝，驗證其工業(yè)生產(chǎn)的可行性，本文按上述設想建立了一套獨特的測試功能齊全的中試試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)的處理能力為20～300kg/h，氣流管風速為10～30m/s，進氣溫度為400～650℃。試驗物料選用初始含水量為30～50％、原煤平均粒徑為0～3mm的赤峰平莊褐煤。在

8、試驗系統(tǒng)的各個關鍵位置設置了一系列的測試孔，用于測量該處的溫度、靜壓、顆粒速度、氣體流速等參數(shù)，并可通過特制的取樣裝置采集該測試孔處的物料樣品完成其水分、成分、溫度等指標的測試。通過對顆粒的停留時間、含水量分布、氣流和顆粒的溫度分布等進行測量，獲得了大量可用于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)和理論模型驗證的具有較高參考價值的運行和過程參數(shù);通過對干燥管內顆粒及氣流的運動特性和傳熱特性進行了分析，掌握了大量的干燥過程參數(shù)，為下一步過熱蒸汽干燥過程的模型建立及

9、數(shù)值模擬提供了參考和驗證依據(jù)，也為褐煤過熱蒸汽氣流干燥工程設計提供了依據(jù)。結果表明該系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地運行，且干燥后產(chǎn)品的品質能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，可以應用于實際工程的工藝選擇之中。
　　 實現(xiàn)準確的褐煤過熱蒸汽氣流干燥過程預測的前提是建立精確的數(shù)學模型，以描述褐煤顆粒的含水率、溫度以及氣體的流速、溫度等參數(shù)變化規(guī)律。從本質而言，過熱蒸汽流態(tài)化干燥過程是干燥機內氣流與被干燥物料的動量、熱量、質量傳遞的耦合。在組分傳遞方面，目

10、前普遍采用的是不考慮物料顆粒內部含水量差異的集總參數(shù)模型。雖然該模型具有形式簡單、便于工程計算等優(yōu)點，但僅適用于表面水分蒸發(fā)的干燥過程。而在用于以內部水分遷移為主要因素的干燥過程的描述時，必然會導致嚴重的失真。本文在分析了干燥管中褐煤顆粒和過熱蒸汽兩相流狀況的基礎上，利用N-S方程，采用離散相模型(Discrete Phase Model)描述顆粒行為，并先忽略褐煤顆粒的內部傳質阻力，建立了面向過熱蒸汽流態(tài)化干燥的基礎計算流體動力學模型

11、。通過建立物理模型，進行適當?shù)木W(wǎng)格劃分，并確定進口條件、出口條件和邊界條件和求解及控制條件等工作，對褐煤過熱蒸汽氣流干燥過程進行了模擬。模擬結果顯示，對于褐煤過熱蒸汽干燥，忽略褐煤顆粒的內部傳質阻力會導致其干燥過程模擬的嚴重失真，對干燥動力學理論的補充和完善是非常必要的。
　　 雖然國內外學者對于如褐煤等的多孔介質的組分傳遞進行了大量的研究，建立了大量的干燥動力學的理論模型。但由于這些模型的表達方式過于復雜，且其中的孔隙率分布、

12、平均空隙尺寸等仍需實驗確定，將其應用于實際工程計算尚需極大的研究進展和巨大的研究努力。目前，對干燥動力學的研究仍以實驗的方法為主，而干燥動力學特性主要由干燥特性曲線來體現(xiàn)。為此，本研究建立了一套獨特的可用于熱風干燥和過熱蒸汽干燥機理研究的實驗系統(tǒng)，并通過進行了大量的過熱蒸汽干燥機理及其干燥曲線的實驗研究與測試。實驗發(fā)現(xiàn)，與熱風干燥不同，過熱蒸汽干燥存在三個階段:冷凝段，含水率增加，物料溫度同時升高;恒速段為物料顆粒表面水的蒸發(fā)過程，含水

13、率直線下降;降速段為物料內部水分遷移至顆粒表面擴散的過程，含水率呈指數(shù)規(guī)律下降。在此基礎上，本文進一步研究了過熱蒸汽作為干燥氣流介質的干燥動力學特性，建立了一套能夠描述過熱蒸汽干燥全過程包括蒸汽冷凝和物料內部傳質阻力在內的干燥動力學模型，使得干燥動力學理論更加完整和準確。
　　 在上述過熱蒸汽干燥的三個明顯的干燥階段中，冷凝段和恒速段僅與物料顆粒表面水分相關，采用集總參數(shù)模型可以獲得較高的計算精度。而內部傳質阻力的影響主要呈現(xiàn)于

14、降速干燥段。本文對干燥動力學的理論和實驗的分析發(fā)現(xiàn)，對于特定的物料和一定的粒徑范圍，在不同的干燥條件下，其干燥曲線具有相同的變化規(guī)律，進行適當?shù)臒o量綱處理后，這些降速段的干燥曲線可為同一數(shù)學表達式。該表達式獨立于干燥條件之外?；谠撎攸c，為將恒定干燥條件下獲得的干燥曲線引入干燥條件處于變化中的干燥過程的計算和模擬中，本文首次提出了通用干燥動力學模型。而運用通用干燥動力學模型的要點是:確定一定干燥條件下恒速段的干燥強度、臨界含水量及臨界含

15、水量隨恒速段的干燥強度的變化關系;以臨界含水率為節(jié)點，含水率大于此節(jié)點的干燥過程可用成熟且簡便的集總參數(shù)模型進行描述，而進入降速干燥段后，干燥過程則運用通用干燥模型進行預測。
　　 為褐煤過熱蒸汽氣流干燥過程進行預測，并對褐煤干燥工藝進行優(yōu)化，本文在建立了上述基礎流體力學計算模型和過熱蒸汽干燥動力學模型的基礎上，建立了針對以氣流干燥為代表的褐煤過熱蒸汽流態(tài)化干燥過程的CFD模型，并進行了模擬。與中試試驗結果比較顯示該模型滿足工程